中林-46杨正常木与应拉木制浆性能的比较1)

陆雅婕 丁小龙 高文丽 付建虎 高 慧

(安徽农业大学，合肥，230036)

中林-46杨正常木与应拉木制浆性能的比较1)

陆雅婕 丁小龙 高文丽 付建虎 高 慧

(安徽农业大学，合肥，230036)

以中林-46杨正常木与应拉木为研究对象，分析比较其在纤维形态、化学组成和制浆漂白上的差异。结果表明在纤维形态上应拉木的双壁厚、壁腔比、木射线比量和纤维比量均高于正常木，而正常木的纤维长宽比、胞腔径、导管比量均大于应拉木；在化学组成上，应拉木的纤维素、苯醇抽出物、1% NaOH抽出物、灰分质量分数均高于正常木，而正常木的半纤维素、综纤维素、木质素质量分数均高于应拉木；在制浆漂白上，应拉木比正常木得率高，卡伯值和白度较低。

正常木；应拉木；纤维形态；化学组成；制浆；漂白

Normal wood; Tension wood; Fiber morphological properties; Chemical compositions; Pulping; Bleaching

随着石油资源的日益枯竭以及环境问题的日益严峻，国内木材行业对资源的可持续利用有了更高的认识，而在当前我国木材利用率较低的现实背景下，人们普遍认同提高木材的利用率对木材资源的可持续利用具有重要意义[1]。同时，天然森林资源的快速消耗给环境带来了巨大的压力，人工林速生杨目前已被认为是木材加工利用的主要树种之一，但速生杨由于生长速度快、生长环境及自身需要的影响往往会产生不同于正常木的组织，例如应拉木，这种现象普遍产生于倾斜生长的树干且占的比例较多[2]。

在阔叶树材倾斜或弯曲树干和枝条上侧的横切面上，一部分生长轮明显偏宽，这部分木材称为应拉木[3]。由于应拉木与正常木结构上的差异使其在人造板加工利用上产生一定的缺陷，例如锯解时锯材易扭曲，干燥时易开裂、变形，旋切时表面易起毛等。因此，进一步寻找应拉木的应用方法是速生林综合利用的有效途径。

中林-46杨Populus×euramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin46’是1979年由中国林业科学研究院培育而成的速生栽培品种，它繁殖容易，适应力强，早期生长迅速[4]。本研究主要分析比较了中林-46杨正常木与应拉木的纤维形态、化学组成及制浆漂白性能各方面的差异，为进一步拓宽应拉木的应用范围打下一定理论基础。

1 材料与方法

选用安徽农业大学农萃园实验基地的无性系中林-46杨为研究材料，分别采伐了一棵直立树木和一棵倾斜树木(主干的倾斜角度被人工培育成约为45°)，利用碘—氯化锌染色法，从倾斜树干的上部区分出应拉木区，随后采用机械剔除的方法得到实验所需要的应拉木。同时以直立树干中的木材为正常木。

1.1 解剖结构观察及纤维形态测定

将试样先制成永久木材横切片，然后置于普通光学显微镜下测量纤维宽度、双壁厚、胞腔径和组织比量；木材纤维长度测定采用过氧化氢—冰醋酸离析法；木材结晶度的测定采用X射线衍射法。

1.2 化学组成的测定

将区分好的试样风干后劈成火柴棒大小，然后置于JFSD-100-II型粉碎机进行粉碎，取粒径为40～60目的细末贮于具磨口玻塞的广口瓶备用；化学组成的测定按照国家相关标准进行：苯醇抽出物质量分数采用GB/T 10741—2008的方法测定，1% NaOH抽出物质量分数采用GB 2677.5—1993的方法测定，综纤维素质量分数采用酸性亚氯酸钠法(GB 2677.10—1981)测定，纤维素质量分数采用硝酸—乙醇法测定，戊聚糖质量分数采用GB/ T745—2003的方法测定，Klason木质素质量分数采用体积分数为72%的浓硫酸法(GB/T 747—2003)测定，酸溶木质素质量分数采用GB/T 10337—2008的方法测定，灰分质量分数采用GB/T 742—2008法测定。以上实验同时测3次平行试样。

1.3 制浆

用烧碱—蒽醌法(AP—AQ法)进行，工艺条件由化学组成及摸索性实验制定。

1.4 漂白

采用全无氯三段漂白：氧漂(O1、O2段)—螯合剂处理(Q段)—氧加压的过氧化氢漂(PO段)。(O1、O2)表示两段之间不洗涤，O1段浆质量分数10%，用碱量2%，硫酸镁用量0.5%，氧压0.7 MPa，温度80 ℃，时间30 min；O2段浆质量分数10%，用碱量1%，硫酸镁用量0.5%，氧压0.3 MPa，温度100 ℃，时间60 min。Q段：浆质量分数10%，EDTA(乙二胺四乙酸)0.5%，用2%硫酸处理pH值至3，温度80 ℃，时间60 min。PO段：浆质量分数10%，过氧化氢用量为4%，用碱量2%，硫酸镁用量0.05%，氧压0.6 MPa，温度90 ℃，时间80 min，硅酸钠用量1.5%。

2 结果与分析

2.1 应拉木与正常木的纤维形态

对木材纤维来说，壁腔比小于1的被列为上等造纸用材，等于1的为中等造纸用材，大于1的则为劣等造纸用材。因为纤维长、壁薄，腔大的纤维越柔软，彼此易于结合，即纤维交织能力越强，成纸强度也越高[5-6]。由表1得知，正常木壁腔比为0.37，而应拉木为1.16，长宽比分别为43.99和42.93，因此，从壁腔比和长宽比来看，应拉木成纸质量可能低于正常木。目前在正常木与应拉木之间的纤维长度、宽度的研究比较中，仍然存在很多争议，但普遍认为应拉木由于细胞壁胶质层的存在，其细胞壁厚度要大于正常木[2]。应拉木和正常木横切面显微图片如图1、图2所示，应拉木有明显的胶质层。

图1 正常木横切面(400×)

图2 应拉木横切面(400×)

木材纤维长度/μm纤维宽度/μm腔径/μm双壁厚/μm纤维长宽比壁腔比正常木106024．6616．556．0943．990．37应拉木109025．9310．0612．3042．931．16

阔叶材中非纤维细胞质量分数比针叶材的多，非纤维细胞质量分数过多，会影响成纸质量，使纸的强度下降，不透明度下降，漂白困难，同时给制浆造纸操作过程带来困难，例如抄纸时易断头、黏辊等影响抄纸车速[6]。由表2可看出应拉木纤维比量和木射线比量比正常木大，导管比量比正常木小。

表2 正常木与应拉木组织比量

2.2 应拉木与正常木的化学组成

由表3可知，正常木和应拉木的总木质素质量分数分别为23.87%和22.46%，总木质素质量分数越低，制浆越容易，消耗蒸煮的化学药品越少；纤维素正常木48.00%，应拉木53.8%，纤维素质量分数越高，制浆的得率越高；戊聚糖正常木23.80%，应拉木21.00%；半纤维素质量分数高，原料打浆越容易，纤维结合强度高，但是半纤维素性质不稳定，容易发生化学反应；正常木与应拉木的1%NaOH抽出物质量分数分别为16.02%和19.69%，苯醇抽出物质量分数分别为1.66%和4.11%，应拉木抽出物质量分数均比正常木高，抽出物质量分数对脱木素程度和制浆得率有一定影响，抽出物多的木材制浆时蒸煮液消耗多[7]。

表3 应拉木与正常木的化学组成比较 %

2.3 制浆性能

通过摸索性实验比较了硫酸盐—蒽醌法和烧碱—蒽醌法中制浆得率和卡伯值，因在硫酸盐—蒽醌法中，硫化钠蒸煮液性质不稳定，其中含有的多硫化物等杂质对设备有严重的腐蚀作用，制浆过程中会产生污染环境且对人体有害的气体，制得的浆颜色深不易漂白，因此本实验采用烧碱—蒽醌法制浆。

2.3.1 正交试验

采用烧碱—蒽醌法进行制浆实验，并结合化学组成特点。为了找出制浆的最佳工艺条件，先以正常木为材料，确定基本工艺条件：绝干试材30 g，m(绝干试材)∶V(蒸煮液)=1 kg∶4.5 L，蒽醌0.1%，再选择用碱量、最高温度、保温时间为3因素，在3水平下进行L9(34)正交试验(见表4)。每组做平行实验重复两次并取平均值，结果见表5。

表4 正交试验因素水平

表5 正交试验结果

2.3.1.1 极差分析

由表6对卡伯值和得率的极差分析可知，用碱量对卡伯值和得率的影响最大，最高温度次之，保温时间影响最小。

表6 正常木制浆得率和卡伯值的极差分析

2.3.1.2 方差分析

考虑到用碱量、保温时间和最高温度3因素对得率和卡伯值的综合影响以及3因素与得率、卡伯值的内在关系，本研究除从极差分析的角度直观地分析制浆的最佳条件外，还从方差分析的角度来分析因子对指标的影响。对正常木经过烧碱—蒽醌法制浆测得的卡伯值和得率方差分析见表7。

表7 正常木制浆得率和卡伯值的方差分析

可以看出，用碱量对卡伯值的显著值p=0.023<0.05，在0.05水平上显著，说明用碱量的不同对卡伯值的影响是显著的。而最高温度和保温时间对卡伯值的显著值都大于0.1，说明最高温度和保温时间对卡伯值的影响都不显著。用碱量对得率的显著值p=0.027<0.05，在0.05水平上显著，说明用碱量对得率的影响是显著的。而最高温度对得率的显著值p=0.082<0.1，在0.1水平上是显著的。保温时间对得率的显著值p=0.206>0.1，影响不显著。可知对制浆得率和卡伯值影响最大的是用碱量，最高温度和保温时间次之。这与前面的极差分析结果一致。

综合考虑用碱量、最高温度和保温时间对得率和卡伯值的影响，加上最高温度对纤维素降解有一定影响，得出最佳工艺条件为用碱量16%，最高温度162 ℃，保温时间90 min。

2.3.2 正常木与应拉木制浆性能的比较

实验采用烧碱—蒽醌法在相同工艺条件下蒸煮，分为用碱量不同的两组，蒸煮工艺条件为m(绝干试材)∶V(蒸煮液)=1 kg∶4.5 L，最高温度162 ℃，蒽醌添加量0.1%，保温时间90 min，结果见表8。可知，在相同工艺条件下制得的浆料，杨树应拉木的卡伯值低于正常木，且应拉木得率高于正常木。杨树正常木与应拉木在用碱量为16%时所制的浆料卡伯值均比用碱量14%时低，而得率略低，说明杨树制浆的最佳工艺条件为用碱量16%，这与前面杨树制浆的正交实验结果相一致。

表8 正常木与应拉木制浆性能的比较

2.4 全无氯漂白

经氧漂(O1、O2)—螯合剂处理(Q)—氧加压的过氧化氢漂(PO)3段漂后得出正常木白度为79.7%，应拉木白度为64.8%。应拉木漂白前卡伯值低于正常木，而在漂白后白度没有正常木高，这是因为白度的大小主要由浆中共轭羧基和共轭羰基等发色基团的破坏程度决定，其他羟基、羧基等助色基团的削弱和破坏也起到一定作用[8]。研究表明，应拉木木质素中羟基、共轭羧基等助色和生色基团比正常木木质素中多，故应拉木的残余木质素很难脱出[9]。

2.5 相对结晶度分析

采用XRD测定正常木和应拉木木粉和漂白浆的结晶结构，按照经验公式计算相对结晶度，结果得知正常木木粉和应拉木木粉相对结晶度分别为53.81和55.49；正常木漂白浆和应拉木漂白浆的相对结晶度分别为72.8和75.42。对于木粉和漂白浆，正常木相对结晶度均低于应拉木。这与Marcus Foston等[10]测得结果相符合。

3 结论

中林-46杨应拉木与正常木相比具有较高的双壁厚、壁腔比、射线比量和纤维比量，较低的胞腔径和导管比量。应拉木的纤维长度和纤维宽度比正常木略高，但相差不大。

中林-46杨应拉木有明显的胶质层，纤维素质量分数高于正常木，苯醇抽出物与1% NaOH抽出物质量分数也比正常木高，而木质素及半纤维素质量分数低于正常木。

在制浆漂白方面，应拉木制浆得率高且卡伯值低，但漂白后白度没有正常木高。通过极差分析和单因素方差分析可知用碱量对制浆得率和卡伯值影响最大，最高温度和保温时间次之。

无论是原料木粉还是漂白浆，应拉木的相对结晶度均比正常木的高。

[1] 王恺,陈平安.充分合理利用我国木材资源的若干建议[J].木材工业,1989,3(1):27-28.

[2] 周亮.人工林杨树正常木和应拉木材性与制浆造纸性能关系及其模型研究[D].合肥:安徽农业大学,2008.

[3] Hejnowicz Z. Graviresponses in herbs and trees: A major role for the redistribution of tissue and growth stresses[J]. Planta,1997,203(1):136-146.

[4] 周惠茹,高炳振,郭保生,等.中林-46杨一龄苗木纤维形态的研究[J].河南林业科技,2003,23(2):1-5.

[5] 尹思慈.木材学,木材学[M].北京:中国林业出版社,1996.

[6] 蔡文祥.植物纤维形态与纸浆和纸张性能的关系[J].纸和造纸,1992,11(2):37.

[7] 欧义芳,谌凡更.桉树抽出物在硫酸盐法制浆过程中的作用机理[J].纤维素科学与技术,1998,6(3):38-43.

[8] 李元绿,沈家玮,刘宏华,等.思茅松硫酸盐化学浆的氧脱木素和多段漂白机理的初步研究[J].四川造纸,1994,23(1):17-24.

[9] 高慧,詹怀宇,付时雨,等.欧美杨107杨正常木与应拉木木素结构的比较研究[J].中国造纸学报,2009,24(2):9-13.

[10] Foston M, Hubbell C A, Samuel R, et al. Chemical, ultrastructural and supramolecular analysis of tension wood inPopulustremula×albaas a model substrate for reduced recalcitrance[J]. Energy & Environmental Science,2011,4(12):4962-4971.

陆雅婕，女，1989年7月生，安徽农业大学林学与园林学院，硕士研究生。

高慧，安徽农业大学林学与园林学院，教授。E-mail:huigaozh@163.com。

2013年7月24日。

S792.11

Wood Pulp Properties of Normal Wood and Tension Wood ofPopulus×euramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin 46’/Lu Yajie, Ding Xiaolong, Gao Wenli, Fu Jianhu, Gao Hui(Anhui Agricultural University, HeFei 230036, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-85～88

1) 安徽省自然科学基金(1208085MC37)。

责任编辑：戴芳天。

With normal wood and tension wood ofPopulus×euramericana(Dode) Guiner CL.‘zhonglin 46’, the experiment was conducted to study the effects of fiber morphological properties, chemical compositions, pulping, and bleaching. The width of cell wall, runkel ratio, ray proportion, and fiber proportion of tension wood are higher than those of normal wood. However, the fibrous length-width ratio, lumen diameter and vessel proportion of tension wood are lower than those of normal wood. In the chemical composition, the cellulose content, benzene-alcohol extractives, 1% of NaOH extractives and ash of tension wood are higher than those of normal wood. The hemicellulose, holocellulose and lignin of tension wood are less than those of normal wood. In pulping and bleaching for normal wood and tension wood, the tension wood has higher pulping yield, lower Kappa number, and lower brightness of pulp than those of normal wood.